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寻找最小的生命单元:生物的"个体"如何定义?

神经现实 09-15 14:33 关注

寻找最小的生命单元:生物的"个体"如何定义?

个体是什么?

在五亿年前的埃迪卡拉纪(Ediacaran Period)*,超现实的生物世界占据着海底。这些奇特的软体动物具有不符合想象的物理形态:絮纹的斑点,罗纹的圆盘,分段的管体,朝上的铃铛状,锥形的纺锤,和细长的圆锥体。

可惜的是,这些精妙的生物生存四千年后灭绝了,没有留下后代,只有化石痕迹。这些大型多细胞生物是如何发育、饮食、繁殖的?是以单一的生物体、还是群落的形式存在,就像僧帽水母?

*译者注

埃迪卡拉纪(Ediacaran Period),又称艾迪卡拉纪、震旦纪,是元古宙最后的一段时期。一般指6.35—5.41亿年前。

寻找最小的生命单元:生物的"个体"如何定义?

- 化石痕迹 -

这也牵扯到了一个生物哲学问题 :什么是个体?

地球生物种类千变万化——病毒靠依赖在宿主细胞身上复制自身;细菌之间可以共享、交换基因;高阶物种的杂交规律可以极其复杂;黏菌密度低的时候像是单细胞生物,但聚集在一起甚至可以找到人造迷宫的最短路径;工蚁和工蜂是高度社会化群体里的非生殖成员,它们不具备高等生物的智慧,但蚁巢复杂且有序的分工信息网络代代相传;地衣是真菌和藻类或蓝细菌的共生复合物,独特的合作关系让它们看上去像单一有机体一般运作;人类所包含的细菌细胞也至少与体细胞一样多,成为“共生总体”,例如肠道微生物与我们的发育、生理和生存有紧密的联系......

物种之间和不同物种可以相互依存,多样层级和规模的共生现象让人们开始思考个体与边界的划分问题。

埃克塞特大学科学哲学家及生命科学研究中心主任约翰·杜普雷(John Dupré)认为,区分个体的任务并不容易。“有时候它们联系得如此紧密,以至于不知道是应该以一个单位、两个单位、还是一群来进行讨论。”

麦吉尔大学的博士后研究员麦克斯韦·拉姆斯特德(Maxwell Ramstead)说:“目前我们对‘个体’的认知和‘堆’非常相近。如果这里有一堆沙子,你会直观地知道这是一堆沙子。但‘堆’并不是一个精准的概念,这不像是拨出来不多不少正好13粒谷物,而是从一个集合到一个‘堆’。”

怎么可以更好地划分生物单位呢?再者,如何可以在不依靠细胞膜等特征的情况下识别个体?

过程 > 物质

在定义生物个体时,学者一般倾向于可以观察和测量到的证据。细胞以膜为界,动物以皮肤为界,我们可以对DNA进行测序,并在这些序列中划分基因。

但这不是观察生物的唯一方法——也不是最好的方法。

圣塔菲研究所的进化理论家兼总裁大卫·克拉考尔(David Krakauer)努力寻求发现一种更符合自然、更客观的方法去识别生物单位。他认为:“如果达尔文是一名微生物学家,我们将拥有完全不同的进化论,即不一定会从优胜劣汰的生存规则开始。”

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- David Krakauer -

圣达菲研究所的集体现象研究专家杰西卡·弗拉克(Jessica Flack)与克拉考尔进行了十年的合作,希望能找到弗拉克所希望的“更加开放、基础的定义。他们认为,个体是稳定地随着时间发展而变化的事物。因而,不应该单纯以空间维度来思考“个体”,而应该以时间维度来考虑。

其实,这样定义也并非全新。在1800年代初期,法国动物学家乔治·居维叶(Georges Cuvier)将生命描述为一个漩涡:“无论是否迅速,是否复杂,漩涡的旋转方向是不变的,而且它总是伴随着种类相似的分子,分子总是不断进入其中,不断离开。因此,活体的‘形式’比它的‘物质’更重要。”

许多哲学家和生物学家都采用了这种“过程观点”,即生物和其他生物系统不是以固定的物体或物质存在,而是像河流一样流动似地与其他分子保持关系。

不同梯度的个体

弗拉克,克拉考尔与马克斯·普朗克数学科学学院的尼哈特·奥伊(Nihat Ay)也认为,个体是一个“保留时间完整性”的集合体,在一定时间内可以传播接近最大值的信息量。

他们在三月《生物科学理论》发表的论文《The information theory of individuality》得出以下三个理论:1)个体可以存在于从亚细胞到社会任何生物组织水平;2)个体可以嵌套,即一单位个体可以存在于另一个的内部;3)个体存在于一个连续体上,我们可以对这个实体进行量化(这个理论是最新的,虽然也是最反直觉的)。

尽管未参与这项工作,圣塔菲研究所的物理生物学家克里斯·肯佩斯(Chris Kempes)认为,对生物学进行量化而不是单纯分类的思路很值得被借鉴,至少它可以应对复杂的定义类问题:病毒是否存活?如何被称之为存活?是否存在着个体?有多少个体?

基于生物信息流的梯度,圣塔菲团队区分出了三种梯度的个体。第一种是生物个体形式(organismal individuality),虽然受环境影响但具有强烈的自我组织性,几乎所有关于个体定义的信息都是基于外部和个体的先前状态。

第二种个体是群体形式的(colonial individuality),它的内部和外部因素之间的关系更复杂。在这个分类下的个体可能会有像蚁群或蜘蛛网似的分布式系统,部分组织结构受到环境影响,但依然也维持自己的一些特性。

第三种类型完全由环境驱动(environmental determination),克拉考尔认为:“如果去掉环境带给个体的影响,这个‘实体’将会直接崩溃。” 他补充道,地球上最早出现的生物可能就是如此。

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- 三种梯度的个体 -

“个体信息论”提供了一种思考生物单位的通用方法,在这个理论中,个体可以是细胞、组织、生物体、群体地、公司、政治机构、网络小组、人工智能、城市——甚至思想和理论。研究人员希望这个理论可以激发出一些能“从地面提取出量化信息,从环境提取生物体”的算法,未来可以被用于表现个体出现的信息。

弗拉克说:“这种个体是我们从未考虑过的概念,因为它‘不符合我们对个体的直觉’,也不符合我们熟悉空间中的度量单位和功能分布。”

如何维持个体自定义的边界

不过,麦吉尔大学的拉姆斯特德并不认同弗拉克和克拉考尔的观点,因为他们的方法并没有考虑个体是如何维持自定义的边界,两位学者的定义还需要一些额外的东西:将生物实体和和非生物实体(如飓风)分开的方式。

尽管他同意圣塔菲小组最初的假设以及他们对信息论的使用,但前两位学者的定义还需要一些额外的东西:基于信息流将生物实体和和非生物实体(如飓风)分开的方式。

“生物体不只是个体,它还可以获得关于其个体的信息。” 也就是说,弗拉克和克拉考尔的理论并不能让生物体被“了解”

拉姆斯特德与伦敦大学学院的神经科学家卡尔·弗里斯顿(Karl Friston)合作,围绕着弗里斯顿关于生物自组的“自由能量理论”提出了另一种设想。

寻找最小的生命单元:生物的"个体"如何定义?

“自由能量理论”认为,任何自组系统都会生成对环境的预测,并减小这些预测的误差。对于生物体,这意味着它们会根据预测,不断衡量感官和直觉体验。

拉姆斯特德认为,这种思路和弗拉克与克拉考尔的形式主义想法是兼容的,只是在生物体该如何保持其个体的解释上有些局限。“你可以从字面上,将生物体解释为对环境结构的猜测。” 随着时间发展,为了保持这些预期的完整性,生物体将会把自己定义为不属于环境的个体。

古代分型形式

埃塞克斯大学研究员珍妮弗·霍亚尔·卡特希尔(Jennifer Hoyal Cuthill)研究了埃迪卡拉纪时期蓬勃发展的生物体,她说:“研究远古时期的化石和生命形式,难度与在地球上研究地外生物学相当。所以,我们才面临着识别个体这样实际的问题。”

做研究的过程,卡特希尔和同事们也发展出了和弗拉克、克拉考尔相关的解决思路,强调信息在时间上的持续性

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- Jennifer Hoyal Cuthill -

以霍亚尔·卡特希尔最近对脉形类(Rangeomorph)的研究为例,它们像蕨类植物一样可以长到六英尺高,其分枝状叶从附着在海底的中央茎放射出去。早期的研究经常把脉形类和海笔(sea pen)这种类似于羽毛笔的、更为人熟知的无脊椎动物划分到一起。海笔是一种群体生物,即一种由有触手的珊瑚虫组成的聚集体,基于它们的构造,科学家们觉得这两种生物类似。

直到10年前,研究人员才发现,特定的生长程序是可以在单个个体中产生脉形类的形状的。利用信息论的原理,脉形类被直接归类为群体生物并不合适。

正如树干上的年轮可以记录植物生长过程,脉形类生长史也记录了其成长周边的信息环境,例如有机碳在周边海水地区的扩散信息。通过研究这些信息的持久性,霍亚尔·卡特希尔和她的同事研究发现,外部环境是它们发育的基础,也深刻影响了它们的大小和形状——内部和外部力量的平衡使它们成为连贯的生物体,绝对非圣塔菲团队所定义的群体生物。

对于从理论和实践中使用结构化信息流来构造自然界的方式,霍亚尔·卡特希尔认为:“这些思想和观念的开始会将成为生物学新领域的奠定基础。”

上世纪的生物学也许是物质的生物学,但二十一世纪的生物学会更侧重对于过程的研究。

本文参考自Quanta Magazine,已按其要求对全文做摘录。如欲阅读全文,请登录Quanta Magazine的官方网站。

封面:Tyler Larsen

编译:陈滢荧 | 审校:tangcubibi

编辑:Leon | 排版:平原

原文:quantamagazine.org

未经授权,不得转载

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